納米材料在腎臟中的應(yīng)用與清除機(jī)制

祁禹鳴 徐銘澤 杜步婕

華南理工大學(xué)附屬第二醫(yī)院，廣州市第一人民醫(yī)院(廣州 510180)

近年來(lái)，納米技術(shù)蓬勃發(fā)展，納米材料在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用越來(lái)越受到廣泛關(guān)注，尤其在新冠大流行下，mRNA納米疫苗的問(wèn)世及其廣泛的臨床應(yīng)用[1]，更加奠定了納米技術(shù)在未來(lái)精準(zhǔn)納米醫(yī)學(xué)發(fā)展中的重要地位。納米材料因其獨(dú)特的理化性質(zhì)及生物學(xué)效應(yīng)[2]，在疾病診斷、細(xì)胞追蹤、分子成像、藥物/基因遞送等領(lǐng)域[3- 4]顯現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。為加快納米材料的最終臨床轉(zhuǎn)化，清楚了解納米材料如何從體內(nèi)代謝和清除是納米材料生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用，特別是納米材料的安全性效應(yīng)中最重要的基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題之一。

腎臟，作為人體重要的清除器官，可將納米材料從血液清除到尿液來(lái)降低其在體內(nèi)的滯留[5]。近年來(lái)，腎可清除納米材料，如量子點(diǎn)[6]、二氧化硅納米顆粒[7]、金納米顆粒[8]在腎臟內(nèi)的互作機(jī)制及其界面作用被廣泛關(guān)注和研究。研究發(fā)現(xiàn)，納米材料的理化性質(zhì)，如尺寸、形狀、電荷、密度、親/疏水性和剛性[9]等決定了納米材料的腎臟清除效率及其作用機(jī)制。例如，因腎小球的濾過(guò)閾值為～6 nm[6]，低于6 nm的納米材料才能有效地被腎臟清除，而大于6 nm的納米材料易被肝臟內(nèi)豐富存在的網(wǎng)狀內(nèi)皮系統(tǒng)所捕獲。

隨著納米材料在腎臟內(nèi)作用機(jī)制的深入研究及其可腎清除納米材料在國(guó)際上的發(fā)展，納米材料用于腎病的早期精準(zhǔn)診斷與治療正逐步成為研究熱點(diǎn)。例如，美國(guó)德克薩斯大學(xué)達(dá)拉斯分校鄭杰(Jie Zheng)教授在國(guó)際上最早提出腎臟可清除型近紅外發(fā)光金納米探針，利用熒光和光聲成像等多模態(tài)成像手段，實(shí)現(xiàn)了腎損傷的早期檢測(cè)[10-11]。近年來(lái)，新加坡南洋理工大學(xué)浦侃裔(Kanyi Pu)教授在國(guó)際上報(bào)道了腎臟微環(huán)境響應(yīng)型且高效腎清除探針，利用光學(xué)成像手段實(shí)現(xiàn)了臨床前藥物誘導(dǎo)的急性腎衰竭的早期檢測(cè)[12-13]。

基于納米材料在腎臟中的清除機(jī)制與應(yīng)用等研究熱點(diǎn)，本文系統(tǒng)介紹了腎臟結(jié)構(gòu)、納米材料在腎臟中的傳輸機(jī)制、理化性質(zhì)對(duì)其腎臟清除效率的影響以及納米材料在腎臟疾病診療中的應(yīng)用。此綜述有望為精準(zhǔn)納米醫(yī)學(xué)的發(fā)展以及納米材料未來(lái)的臨床轉(zhuǎn)化起到促進(jìn)作用。

1 腎臟的結(jié)構(gòu)與功能

腎臟是構(gòu)成泌尿系統(tǒng)的核心器官，其承擔(dān)著過(guò)濾血液、生成尿液、維持電解質(zhì)平衡以及內(nèi)分泌等重要的生理功能[14-15]；由于腎臟的特殊生理結(jié)構(gòu)與功能，不同類型的納米材料在腎臟中的代謝機(jī)制也有所不同。腎臟的解剖結(jié)構(gòu)及微觀結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

1.1 腎臟的解剖結(jié)構(gòu)

在解剖學(xué)角度，腎臟的外形呈一側(cè)內(nèi)凹的扁圓蠶豆形，長(zhǎng)度約10～12 cm，寬約5～7 cm，厚約2～3 cm，位于脊柱兩側(cè)腹膜后間隙，并且由于肝臟的存在，右腎的位置往往略低于左腎[16]。腎臟可分為三個(gè)結(jié)構(gòu)區(qū)域，分別是腎皮質(zhì)、腎髓質(zhì)以及腎盂；腹主動(dòng)脈向左右各分一支形成腎動(dòng)脈，血液經(jīng)腎動(dòng)脈進(jìn)入腎臟，經(jīng)入球小動(dòng)脈進(jìn)入腎小球?yàn)V過(guò)，濾過(guò)后的血液經(jīng)由出球小動(dòng)脈匯總至腎靜脈排出腎臟(圖1A)[17-18]。血液經(jīng)過(guò)腎臟的過(guò)濾后，代謝廢物以尿液的形式從腎盂進(jìn)入膀胱，從而排出體外。

1.2 腎臟的微觀結(jié)構(gòu)與功能

腎單位是腎臟結(jié)構(gòu)與功能的基本單位，由腎小體及腎小管組成，每個(gè)腎臟含有約100萬(wàn)個(gè)腎單位。腎單位可分為近皮質(zhì)腎單位及近髓質(zhì)腎單位，分布于腎皮質(zhì)及腎髓質(zhì)中[19]。腎單位由入球小動(dòng)脈、腎小球、鮑氏囊、近曲小管、遠(yuǎn)曲小管、皮質(zhì)集合管、亨利氏環(huán)、腎小管周?chē)?xì)血管及出球小動(dòng)脈等幾部分組成(圖1B)，腎單位的主要功能是利用腎小球的濾過(guò)作用，將血液中的代謝廢物濾過(guò)進(jìn)入腎小管，腎小管重新吸收有用物質(zhì)，并將剩余的部分以尿液的形式分泌出去[20- 22]。因此，腎臟損傷及疾病主要影響的就是腎單位的功能。

腎臟過(guò)濾血液的功能主要是依靠腎小球?yàn)V過(guò)膜(glomerular filtration membrane , GFM)實(shí)現(xiàn)的，腎小球?yàn)V過(guò)膜由內(nèi)皮細(xì)胞、腎小球基底膜和足細(xì)胞組成(圖1C)[23- 24]。腎小球?yàn)V膜可滲透水、小分子物質(zhì)和低分子量的蛋白質(zhì)，但在很大程度上截留了超過(guò)60～70 kDa的血漿蛋白的濾過(guò)，因此，當(dāng)腎小球?yàn)V膜功能出現(xiàn)異常時(shí)，就會(huì)體現(xiàn)為腎小球?yàn)V過(guò)率的變化[25- 26]。

當(dāng)納米材料進(jìn)入血液循環(huán)后，不可避免的會(huì)流經(jīng)腎臟，因此納米材料在腎臟中的傳輸機(jī)制極大程度上影響了納米材料在體內(nèi)的代謝過(guò)程，由于腎單位的特殊結(jié)構(gòu)，納米材料可以在腎小球或腎小管中呈現(xiàn)出不同的傳輸過(guò)程，下文將詳細(xì)介紹納米材料在腎臟中的三種傳輸機(jī)制。

圖1 腎臟的解剖結(jié)構(gòu)及腎小體微觀結(jié)構(gòu)注：A，腎臟的解剖結(jié)構(gòu)：血液經(jīng)腹主動(dòng)脈分支后形成兩支腎動(dòng)脈，經(jīng)腎皮質(zhì)及腎髓質(zhì)過(guò)濾后由腎靜脈流出，代謝廢物以尿液的形式經(jīng)腎盂流入輸尿管并進(jìn)入膀胱儲(chǔ)存；B，腎小體的結(jié)構(gòu)：血液經(jīng)入球小動(dòng)脈進(jìn)入腎小球，水、無(wú)機(jī)鹽、小分子蛋白質(zhì)及代謝廢物經(jīng)腎小球?yàn)V過(guò)后進(jìn)入鮑氏囊，一部分小分子物質(zhì)在腎小管重吸收進(jìn)入腎小管周?chē)?xì)血管，原尿經(jīng)腎小管重吸收濃縮后最終流向皮質(zhì)集合管；C，腎小球?yàn)V過(guò)膜結(jié)構(gòu)：腎小球?yàn)V過(guò)膜為三層結(jié)構(gòu)，分別為內(nèi)皮細(xì)胞、腎小球基底膜以及足細(xì)胞，內(nèi)皮細(xì)胞層具有70～90 nm的的孔隙。腎小球基底膜的孔隙大小為2～8 nm，足細(xì)胞位于腎小球基底膜另一側(cè)，面向鮑曼空間，細(xì)胞間隙為4～11 nm。

2 納米材料在腎臟中的清除機(jī)制

眾所周知，尿液作為腎臟最主要的廢物排泄途徑，其經(jīng)由三種機(jī)制：腎小球?yàn)V過(guò)、腎小管的重吸收以及腎小管的分泌所生成的[5]。血液由腎小體的入球小動(dòng)脈輸送到腎小球，腎小球腔內(nèi)的血壓升高導(dǎo)致血液中的液體、溶質(zhì)和廢物過(guò)濾進(jìn)鮑曼空間，然后進(jìn)入近端小管，近端小管管腔表面被密集的微絨毛覆蓋，最后進(jìn)入遠(yuǎn)端小管，遠(yuǎn)端小管不含微絨毛。濾過(guò)發(fā)生在腎小球，重吸收與分泌發(fā)生在近端小管和管周毛細(xì)血管之間。在給藥并進(jìn)入血液循環(huán)后，納米材料可以與尿液一起通過(guò)腎臟排出體外。對(duì)生物體來(lái)說(shuō)，腎尿代謝方式是有利的，它可以最大程度避免與其他器官的相互作用將納米材料以尿液的形式代謝出體外，可以有效降低納米藥物的毒副作用[27]。納米材料被腎臟清除與傳輸機(jī)會(huì)同樣遵循三種機(jī)制：腎小球?yàn)V過(guò)、腎小管重吸收和腎小管分泌(圖2)。

圖2 納米材料在腎臟中的三種傳輸機(jī)制示意圖注：A，納米材料經(jīng)腎小球?yàn)V過(guò)后進(jìn)入鮑氏囊，特定納米材料可以在腎小管近端小管發(fā)生重吸收進(jìn)入腎小管周?chē)?xì)血管，未被腎小球?yàn)V過(guò)的特定納米材料可以通過(guò)腎小管周?chē)?xì)血管進(jìn)入到近端腎小管，從而分泌到尿液中；B，納米材料的腎小球?yàn)V過(guò)是被動(dòng)運(yùn)輸過(guò)程，與納米材料的尺寸、電荷等物理化學(xué)性質(zhì)相關(guān)；納米材料的腎小管重吸收；C，和腎小管分泌；D，是主動(dòng)運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程，發(fā)生在近端小管和管周毛細(xì)血管之間。

2.1 腎小球?yàn)V過(guò)

在三種腎清除機(jī)制中，腎小球?yàn)V過(guò)扮演著至關(guān)重要的角色。腎小球?yàn)V過(guò)屏障(glomerular filtration barrier,GFB)位于腎小球毛細(xì)血管腔和鮑曼空間之間，由內(nèi)皮細(xì)胞糖萼、內(nèi)皮細(xì)胞、腎小球基底膜(glomerular basement membrane, GBM)和足細(xì)胞組成。腎小球血管中的間質(zhì)由系膜細(xì)胞和系膜基質(zhì)組成，它們也參與腎小球?yàn)V過(guò)。內(nèi)皮糖萼位于內(nèi)皮細(xì)胞表面，由糖胺聚糖(例如，硫酸肝素、透明質(zhì)酸和硫酸軟骨素)和相關(guān)的蛋白聚糖組成，排列在血管腔內(nèi)，有著保護(hù)血管和防止蛋白質(zhì)泄露的作用。內(nèi)皮層有70～90 nm的開(kāi)窗。GBM具有2～8 nm大小的孔隙，主要由IV型膠原、層粘連蛋白和蛋白多糖組成。足細(xì)胞單層排列，間隙為4～11 nm，位于GBM的另一側(cè)，面對(duì)鮑曼空間，足細(xì)胞被厚約200 nm的糖萼覆蓋。這四層結(jié)構(gòu)決定了腎臟的6 nm的腎臟濾過(guò)閾值(kidney filtration threshold, KFT)[6]和電荷選擇性濾過(guò)的性質(zhì)。因此納米材料的大小、電荷、形狀、密度都是影響它們與GFM相互作用的重要因素，決定性地影響了它們的腎清除效率。

2.1.1 尺寸效應(yīng) 因?yàn)槟I臟濾過(guò)閾值，納米材料在腎臟中的清除效率呈現(xiàn)尺寸效應(yīng)。依據(jù)納米材料是否可以通過(guò)腎臟濾過(guò)閾值，可以分為：可腎清除納米材料與不可腎清除納米材料。從納米材料大小的角度來(lái)看，由于GFM的存在，水合粒徑(hydrodynamic diameter, HD)大于6 nm的納米材料不易跨過(guò)腎小球?yàn)V過(guò)膜難以被腎清除，例如，HD為12.1 nm的磺化三苯基膦配體的金納米顆粒(TPPMS-GNP)則幾乎不能被腎尿代謝(在雌性Wistar-Kyoto大鼠體內(nèi)ID僅為0.07%)[28]。當(dāng)納米材料的尺寸低于6 nm時(shí)，它們可以有效地跨過(guò)腎小球?yàn)V過(guò)膜而進(jìn)入尿液中。例如，2.4 nm的谷胱甘肽涂層的金納米顆粒(GS-AuNPs)在雄性BALB/c小鼠體內(nèi)24小時(shí)的可腎清除率為52.5 % 注射量 (injection dose，ID)[10]。因此，尺寸小于6 nm且可以通過(guò)尿液進(jìn)行清除的納米材料被定義為可腎清除納米材料 (renal clearable nanomaterials, RCNMs)。RCNMs的尺寸在2～6 nm之間時(shí)，它們的腎臟清除效率呈現(xiàn)明顯的尺寸效應(yīng)：隨著材料尺寸的減小，其腎清除效率逐漸增加。例如，可腎清除的二氧化硅納米顆粒的尺寸從6 nm下降至3.3 nm時(shí)，其24小時(shí)內(nèi)腎臟清除效率從55 %ID增加到67.5 %ID[7]。當(dāng)納米材料的尺寸降低到 1～2 nm之間時(shí)，此范圍的納米材料的腎臟清除效率的尺寸效應(yīng)并不明顯。然而，當(dāng)進(jìn)一步將納米材料的尺寸降低到1 nm以下時(shí)，Du等人[8]卻發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)認(rèn)知不同的尺寸效應(yīng)：越小的金納米團(tuán)簇，腎臟清除效率越低。這一現(xiàn)象背后的機(jī)制為：1 nm以下，較小的金團(tuán)米團(tuán)簇與腎小球內(nèi)皮細(xì)胞表面的內(nèi)皮萼作用越強(qiáng)。此發(fā)現(xiàn)說(shuō)明腎小球不再是一個(gè)“尺寸截留”狹縫，而是一個(gè)原子級(jí)精確的“帶通”屏障(圖3A)。

圖3 納米材料在腎小球?yàn)V過(guò)中的尺寸效應(yīng)與電荷效應(yīng)注：A，納米材料在腎小球?yàn)V過(guò)中的“帶通”尺寸效應(yīng)。納米材料>6 nm時(shí)很難被腎小球?yàn)V過(guò)，1～6 nm時(shí)可以輕松被腎小球?yàn)V過(guò)，<1 nm時(shí)與上皮細(xì)胞糖萼作用增強(qiáng)，腎小球?yàn)V過(guò)能力明顯變差；B，納米材料在腎小球?yàn)V過(guò)的電荷效應(yīng)。帶正電荷的納米材料更容易通過(guò)GBM，電中性次之，對(duì)于呈負(fù)點(diǎn)的納米顆粒，隨著電負(fù)性的增加，納米材料更容易被腎小球?yàn)V過(guò)。

2.1.2 電荷效應(yīng) 除納米材料尺寸外，其表面電荷也是影響其是否能被腎小球?yàn)V過(guò)的重要因素。由于內(nèi)皮糖萼中存在硫酸乙酰肝素蛋白聚糖，以及腎小球毛細(xì)血管壁和足細(xì)胞糖萼帶負(fù)電荷的特點(diǎn)，使GFM也表現(xiàn)出對(duì)納米材料的電荷選擇性。當(dāng)納米材料的尺寸大小相近時(shí)，帶正電的納米材料比帶負(fù)電的納米材料更容易從腎臟中清除(圖3B)。例如，Liang等人[29]設(shè)計(jì)并合成了具有不同表面電荷的CdTe/CdS量子點(diǎn)(quantum dots, QDs)，其尺寸均在2～6 nm之間，結(jié)果顯示腎臟清除效率的規(guī)律為帶正電的QDs>電中性的QDs>帶負(fù)電的QDs。值得注意的是，當(dāng)HD略大于腎過(guò)濾閾值(KFT，6 nm)時(shí)，帶正電的納米材料有利于電荷的相互作用也可以通過(guò)腎過(guò)濾屏障，而具有相同直徑的帶負(fù)電荷就很難通過(guò)[30]。當(dāng)納米材料表面均帶負(fù)電荷時(shí)，表面Zeta電位絕對(duì)值越大，腎臟清除效率越高。例如，Zheng課題組合成了三種尺寸相同但電荷不同的帶負(fù)電荷的金納米粒子：谷胱甘肽涂層的金納米粒子(GS-AuNPs，HD=3.0 nm, ζ=-50 mV， pH=7.4)[31]，甘氨酸-半胱氨酸涂層的金納米顆粒(Gly-CysAuNPs，HD=3.1 nm，ζ=-27.3 mV，pH=7.4)[32]和谷胱甘肽-半胱氨酸涂層的金納米顆粒(GC-AuNPs，HD=2.9 nm，ζ=-22 mV , pH=7.4)。GS-AuNPs、Gly-CysAuNPs 和 GC-AuNPs在注射后1小時(shí)的腎臟清除效率分別為28%ID、15.3%ID和10%ID，此結(jié)果證明了當(dāng)納米材料帶負(fù)電時(shí)其表面電荷對(duì)腎臟清除效率呈反依賴性(圖3B)。

2.1.3 其他影響因素 除上述兩種決定因素外，納米材料的形狀和密度也影響著其是否能通過(guò)GFM。例如，長(zhǎng)度為200～300 nm、分子質(zhì)量約為350～500 kDa的碳納米管可以被腎小球過(guò)濾，根據(jù)尺寸效應(yīng)可知，200～300 nm的碳納米管本不易通過(guò)GFM，但由于GBM的狹縫呈矩形形狀，碳納米管可以沿著其長(zhǎng)軸定向?yàn)V過(guò)，因此其橫截面的直徑是影響其清除的主要因素[33]。此外，納米材料的核心密度也對(duì)腎清除能力有一定的影響，Tang等[34]設(shè)計(jì)合成了大小為3 nm的表面均為谷胱甘肽配體的金、銀以及金銀合金納米顆粒，其核心密度分別為[金：19.3×(g/cm3)，銀：10.5×(g/cm3)以及金銀合金：11.4和15.9×(g/cm3)]，其靜脈注射2 h后的腎臟清除效率為金：29.19%ID，金銀合金[15.9×(g/cm3)]：31.22%ID，金銀合金[11.4×(g/cm-3)]：36.90%ID，銀：45.87%ID。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以證明納米材料的核心密度越小，越容易被腎小球過(guò)濾。

2.2 腎小管重吸收

在通過(guò)腎小球?yàn)V過(guò)后，納米材料被轉(zhuǎn)運(yùn)到近端腎小管、腎髓質(zhì)、腎盂和輸尿管中，其中，近端腎小管對(duì)于納米材料的清除也發(fā)揮出不同尋常的作用。與充當(dāng)物理屏障(大小和電荷屏障)的 GFM 相比，近端小管作為化學(xué)屏障通過(guò)內(nèi)吞的機(jī)制吸收納米材料。經(jīng)腎小球?yàn)V過(guò)后，納米材料集中在近端腎小管中，導(dǎo)致腎小管細(xì)胞通過(guò)內(nèi)吞作用將其內(nèi)化[35]。例如，葡聚糖為基礎(chǔ)的納米材料和HD=5 nm的聚酰胺樹(shù)狀大分子納米粒子，會(huì)被近端小管的上皮細(xì)胞內(nèi)吞[36]。GS-AuNPs在通過(guò)GBM之后，能夠被覆蓋在近端小管腔表面的微絨毛捕獲，此時(shí)如果微絨毛所捕獲的GS-AuNPs一旦達(dá)到飽和，該納米材料就會(huì)被清除到尿液中[37]。值得注意的是，不可腎臟清除的納米材料是很難通過(guò)GBM到達(dá)近端腎小管從而實(shí)現(xiàn)重吸收的過(guò)程。

2.3 腎小管分泌

除上述兩種途徑外，腎小管分泌的外排機(jī)制對(duì)于納米材料在腎臟中的清除也至關(guān)重要。腎小管分泌旨在清除循環(huán)內(nèi)源性溶質(zhì)(如氫離子、NH3和鉀離子)以及代謝產(chǎn)物(如肌酐和對(duì)氨基馬尿酸)，從而減輕機(jī)體腎臟負(fù)擔(dān)并維持機(jī)體穩(wěn)態(tài)[38]。不同于腎小球?yàn)V過(guò)的是，腎小管分泌是一個(gè)主動(dòng)的細(xì)胞運(yùn)輸過(guò)程，其往往涉及腎小管細(xì)胞表面的運(yùn)進(jìn)蛋白和外排蛋白的參與。其中可被腎小管分泌而外排出體外的物質(zhì)主要是“有機(jī)陰離子轉(zhuǎn)運(yùn)體(organic anion transporter,OAT)結(jié)合的大分子”[39]。例如，Du等人對(duì)吲哚菁綠(indocyanine green,ICG)進(jìn)行小分子的聚乙二醇修飾設(shè)計(jì)并合成了有機(jī)納米探針I(yè)CG-PEG45，該探針能夠通過(guò)腎小管基底外側(cè)與OAT結(jié)合從而經(jīng)腎小管分泌途徑排出體外。值得一提的是，當(dāng)腎小球?yàn)V過(guò)受損時(shí)則會(huì)影響腎臟的清除能力[40]，而腎小管分泌在腎小球疾病下依舊有良好的清除能力，此外，Daniel A. Heller教授等人設(shè)計(jì)并合成了一種介觀尺度的納米材料MNPs，該材料HD=400 nm，其由于腎單位的壓降和毛細(xì)血管的大吸收壓力可被腎小管管周毛細(xì)血管的內(nèi)皮細(xì)胞內(nèi)吞。利用這一特性，MNPs實(shí)現(xiàn)了在近端腎小管長(zhǎng)達(dá)七天的特異性累積，為治療影響腎臟近端小管的疾病研究提供了重要的研究基礎(chǔ)[41]，為開(kāi)發(fā)相關(guān)類型的腎臟疾病診療藥物提供了更多可能性[42]。

3 可腎清除納米材料在腎臟疾病診療中的應(yīng)用

近年來(lái)，越來(lái)越多的納米材料被應(yīng)用于疾病的監(jiān)測(cè)和治療時(shí)的光學(xué)成像，然而，許多用于光學(xué)成像的納米探針常常被網(wǎng)狀內(nèi)皮系統(tǒng)清除，這將導(dǎo)致納米探針在肝臟和脾臟中積聚，從而對(duì)器官造成毒性損傷。相比之下，RCNMs有著更高的生物安全性，更符合臨床醫(yī)學(xué)轉(zhuǎn)化的標(biāo)準(zhǔn)?；谶@些優(yōu)點(diǎn)，RCNMs在各種疾病的診療中嶄露出更加科學(xué)高效的應(yīng)用價(jià)值[13]。

3.1 RCNMs在腎損傷中的檢測(cè)

腎臟損傷仍然是藥物開(kāi)發(fā)和臨床護(hù)理中的一個(gè)主要問(wèn)題。腎損傷分為急性(7天內(nèi))或慢性(≥3個(gè)月)。其中，急性腎損傷(acute kidney disease,AKI)在住院患者中有著高發(fā)病率(20%)和死亡率(34%)[43]，早期識(shí)別AKI能夠及時(shí)干預(yù)治療從而保護(hù)腎功能，預(yù)防腎衰竭[44]。然而，臨床診斷方法依賴于對(duì)生物標(biāo)記物的測(cè)量，如血肌酐和血尿素氮，以及尿量和腎臟血液灌注，但這些指標(biāo)都具有滯后性，在腎損傷早期并不敏感，只能在晚期檢測(cè)腎功能不全的患者中才能有效體現(xiàn)出差異。因此，越來(lái)越多的RCNMs作為外源探針用于腎損傷的早期檢測(cè)與診斷?；谀I病檢測(cè)原理，目前腎臟影像探針可以大致分為兩類：傳輸動(dòng)力學(xué)型和響應(yīng)型光學(xué)探針。

3.1.1 傳輸動(dòng)力學(xué)型RCNMs在腎臟疾病中的應(yīng)用 傳輸動(dòng)力學(xué)型的RCNMs主要是針對(duì)其體內(nèi)分布和藥代動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)所設(shè)計(jì)合成。當(dāng)腎臟疾病發(fā)生時(shí)，因腎臟功能結(jié)構(gòu)的改變導(dǎo)致其清除半衰期和器官分布的特點(diǎn)與正常機(jī)體表現(xiàn)出不同，從而達(dá)到對(duì)腎損傷疾病的檢測(cè)。單側(cè)腎梗阻(unilateral ureteral obstruction, UUO)由于腎的代償性，早期一般無(wú)明顯癥狀，病理指標(biāo)也過(guò)于滯后，其早期診斷一直是臨床治療的一大難點(diǎn)，針對(duì)此問(wèn)題，2016年Yu等人[45](圖4A)，用谷胱甘肽涂層的近紅外發(fā)光的金納米顆粒(GS-AuNPs)實(shí)現(xiàn)了對(duì)UUO小鼠病變腎臟的特異性熒光成像，其在由UUO引起的腎小管輕度萎縮前期就能夠?qū)Ρ瘸鲲@著的代謝差異，為UUO的早期診斷填補(bǔ)空白。次年，Xu[46]等人通過(guò)X-ray成像方式(圖4C)，監(jiān)測(cè)了GS-AuNPs在UUO小鼠從腎皮質(zhì)和腎髓質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)到腎盂的過(guò)程，并發(fā)現(xiàn)該過(guò)程在UUO小鼠體內(nèi)明顯減慢，這是由于腎髓質(zhì)的擴(kuò)張和萎縮導(dǎo)致的，而GS-AuNPs轉(zhuǎn)運(yùn)到腎皮質(zhì)的過(guò)程則無(wú)明顯動(dòng)力學(xué)差異，且與臨床X-ray成像常用的碘對(duì)比劑相比，用量更少，腎保留時(shí)間更長(zhǎng)，成像更清晰。該發(fā)現(xiàn)不僅加深了我們對(duì)正常和受損腎臟中RCNMs轉(zhuǎn)運(yùn)的基本理解，而且進(jìn)一步拓寬了RCNMs在解剖層面的腎功能評(píng)估。

此外，在腎損傷檢測(cè)中，傳輸動(dòng)力學(xué)型的RCNMs常用作對(duì)腎小球?yàn)V過(guò)率(glomerular filtration rate, GFR)的監(jiān)測(cè)。GFR是指每單位時(shí)間腎小球?yàn)V過(guò)的血漿體積，是測(cè)量整體腎功能的標(biāo)準(zhǔn)方法。健康成人的GFR值范圍為90～120 mL·min-1·1.73m2，腎損傷患者的GFR低于60 mL·min-1·1.73m2。在臨床上，通常采用內(nèi)源性過(guò)濾標(biāo)記物(如肌酐或胱抑素C)來(lái)估計(jì)GFR或檢測(cè)外源性標(biāo)記物清除率來(lái)測(cè)量GFR[47]，這些方法均存在著電離輻射，且需多次對(duì)血液和尿液采樣，這會(huì)給患者帶來(lái)額外的健康風(fēng)險(xiǎn)且檢測(cè)效率較低。因此越來(lái)越多的RCNMs根據(jù)其自身獨(dú)特的傳輸動(dòng)力學(xué)差異應(yīng)用于GFR的定量檢測(cè)，例如，Huang等人[48]將卟啉與可腎清除基團(tuán)PEG結(jié)合合成了mTCPP，使其只經(jīng)腎小球?yàn)V過(guò)而無(wú)腎小管的重吸收和分泌，從而定量檢測(cè)AKI小鼠的GFR(圖4B)，然而，這種具有短波長(zhǎng)發(fā)射(400～650 nm)的 RCNMs 穿透深度較低(6 mm)，需要采血配合才能精準(zhǔn)的定量GFR。為了克服光學(xué)成像的有限穿透深度并實(shí)現(xiàn)臨床應(yīng)用，Jiang等人[11]將谷胱甘肽涂層的納米簇Au25SG18應(yīng)用于腎臟中的實(shí)時(shí)光聲成像(圖4D)，Au25SG18不但有著高時(shí)間分辨率(～1s)，還可以清晰地觀察到Au25SG18從主動(dòng)脈→腎實(shí)質(zhì)→腎盂的傳輸過(guò)程，以此來(lái)達(dá)到精確量化正常腎臟和病變腎臟的單腎GFR的目的。

圖4 傳輸動(dòng)力學(xué)型的RCNMs的活體光學(xué)成像示意圖注：A，GS-AuNPs在UUO小鼠病變?cè)缙诤筒∽兺砥诘幕铙w熒光成像示意圖。B，mTCPP在順鉑誘導(dǎo)的急性腎損傷小鼠模型中尾靜脈注射30 min和2 h的活體熒光成像示意圖。C，為GS-AuNPs在UUO小鼠X-ray成像和腎臟蘇木精-伊紅染色的示意圖。D，Au25SG18在小鼠腎臟部位～1 s～75 s的光聲成像示意圖。

3.1.2 響應(yīng)型RCNMs在腎臟疾病中的應(yīng)用 GFR 是腎功能的延遲指標(biāo)，因?yàn)橹挥挟?dāng)腎臟在組織學(xué)水平上受到不可逆轉(zhuǎn)的損傷時(shí)，GFR 才會(huì)顯著衰減[49]。正常腎臟中約 100 萬(wàn)個(gè)腎單位，因此在可測(cè)量 GFR 大幅下降之前可能發(fā)生多處損傷，這時(shí)，針對(duì)腎損傷相關(guān)的生物標(biāo)志物而特異性識(shí)別的響應(yīng)型RCNMs就顯得尤為重要。該類型RCNMs大多以有機(jī)熒光探針為母核，為其修飾能與各生物標(biāo)志物響應(yīng)的靶向官能團(tuán)，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)或電子轉(zhuǎn)移從而實(shí)現(xiàn)對(duì)生物標(biāo)志物的檢測(cè)，并發(fā)生一系列光學(xué)變化以應(yīng)用于活體成像。2019 年，Pu等人將可腎清除基團(tuán) (2-羥丙基)-β-環(huán)糊精和熒光骨架半花青拼接，開(kāi)發(fā)了一系列檢測(cè)腎病的探針 MRP1，MRP2 和 MRP3，三種探針綴合不同的響應(yīng)基團(tuán)，分別靶向超氧陰離子、NAG 和 Caspase- 3，原位報(bào)告了AKI發(fā)生機(jī)制：氧化應(yīng)激→溶酶體損傷→細(xì)胞凋亡→GFR下降，見(jiàn)圖5。后續(xù)Pu等人基于該熒光骨架，針對(duì)其他氧化應(yīng)激標(biāo)志物如過(guò)氧亞硝酸根，開(kāi)發(fā)了探針MRP5和MPR6[50]。此外，腎損傷過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致腎小管微絨毛的缺失，從而引起GGT的泄露，Pu等人還開(kāi)發(fā)了MPR4[51]針對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)。上述所有MPR系列RCNMs均在AKI的早期診斷中表現(xiàn)出優(yōu)于血肌酐和血尿素氮的檢測(cè)，同時(shí)其它們可以作為尿液光學(xué)分析的外源示蹤劑，證明了它們?cè)?AKI 早期診斷方面的臨床前景。

圖5 MRP系列RCNMs的結(jié)構(gòu)式以及各病理過(guò)程所對(duì)應(yīng)響應(yīng)基團(tuán)示意圖注：A，MRP系列RCNMs的各組成部分功能以及傳感機(jī)制示意圖；B，急性腎損傷發(fā)生時(shí)所引發(fā)的各病變過(guò)程以及其對(duì)應(yīng)上調(diào)的生物標(biāo)記物和各生物標(biāo)記物的響應(yīng)官能團(tuán)。

3.2 RCNMs在腎癌中的檢測(cè)

到目前為止，癌癥依然是全世界最棘手的疾病，是人類主要的死亡原因[52]，高精度的成像基礎(chǔ)對(duì)于介導(dǎo)癌癥的精準(zhǔn)診療有著重要的意義。與通過(guò)肝膽通路清除的納米材料(HD>6 nm)相比，可腎清除的納米材料可增強(qiáng)體內(nèi)清除速率并減少非特異性組織積累，從而提高腫瘤靶向效率和腫瘤部位的信號(hào)強(qiáng)度[53]。例如，Du等人對(duì)ICG進(jìn)行小分子的聚乙二醇修飾設(shè)計(jì)并合成了有機(jī)納米探針I(yè)CG-PEG45。該探針能夠通過(guò)腎小管基底外側(cè)與OAT結(jié)合從而經(jīng)腎小管分泌途徑排出體外，同時(shí)，利用正常和癌變腎細(xì)胞之間外排轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(P-糖蛋白)表達(dá)水平的差異，使ICG-PEG45能夠選擇性地積聚在腎癌組織中。從而利用可腎清除速率的不同完成了對(duì)腎細(xì)胞癌的靶向監(jiān)測(cè)，為腎臟清除機(jī)理和腎臟清除之間的關(guān)系填補(bǔ)空白，給納米材料在腎臟和其他疾病的診療中提供了有力的參考價(jià)值[54]。

3.3 納米材料在腎病治療中的應(yīng)用

除上述診斷應(yīng)用以外，納米材料在腎臟疾病的治療中也有著重要的作用。例如，腎缺血再灌注 (ischemia reperfusion , IR) 損傷是各種臨床環(huán)境中不可避免的并發(fā)癥，包括腎移植和大血管手術(shù)，在沒(méi)有有效治療的情況下有巨大的臨床手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。腎臟 IR 損傷的主要原因是大量產(chǎn)生活性氧，包括過(guò)氧化氫 (H2O2)，它們啟動(dòng)炎癥信號(hào)通路，導(dǎo)致腎小管上皮細(xì)胞凋亡，最近Dongwon Lee等人[55]開(kāi)發(fā)了巖藻糖涂層的聚納米材料 Fu-PVU73，其受炎癥部位H2O2的響應(yīng)而釋放H2O2清除劑香草醇和熊去氧膽酸，同時(shí)Fu-PVU73具備靶向腎小管上皮細(xì)胞凋亡時(shí)所上調(diào)的P-選擇素的能力，實(shí)現(xiàn)了其在IR腎臟中的特異性累積并通過(guò)阻止大量活性氧產(chǎn)生和抑制 TNF-α和 IL-1β的表達(dá)發(fā)揮出明顯的腎細(xì)胞保護(hù)作用，為腎臟IR損傷和各種活性氧相關(guān)炎癥性疾病的治療提供了有效的參考價(jià)值。

總結(jié)與展望

本文著重介紹了腎臟的結(jié)構(gòu)與功能、納米材料在腎臟中的三種傳輸機(jī)制、納米材料理化性質(zhì)對(duì)其腎內(nèi)作用機(jī)制的影響以及可腎清除納米材料在腎臟疾病早期檢測(cè)和診斷中的應(yīng)用。隨著納米材料在生物醫(yī)學(xué)中的廣泛研究與應(yīng)用，因?yàn)槟I臟可以將“脫靶”納米材料快速清除到體外以降低潛在的毒副作用，所以納米材料與腎臟的互作機(jī)制在國(guó)際上逐步被展開(kāi)研究，然而，納米材料的理化性質(zhì)(如表面性質(zhì)、電荷等)對(duì)納米材料在腎臟內(nèi)分子清除機(jī)制的影響仍不全面，需要進(jìn)一步系統(tǒng)并深入的研究與理解。例如，目前大多數(shù)納米材料是通過(guò)腎小球?yàn)V過(guò)完成的清除，但是能夠通過(guò)腎小管分泌機(jī)制進(jìn)行清除的納米材料的研究和報(bào)道尚少，因此，如何調(diào)控納米材料的理化性質(zhì)，使其在腎臟內(nèi)的清除機(jī)制可進(jìn)行精準(zhǔn)轉(zhuǎn)換和調(diào)控，是接下來(lái)需要深入研究的方向。目前用于腎臟成像與腎病檢測(cè)的納米材料也仍主要是通過(guò)腎小球的濾過(guò)，通過(guò)腎小管清除的納米材料應(yīng)用于腎臟損傷檢測(cè)的性能則有待進(jìn)一步研究。此外，目前可腎清除納米材料的應(yīng)用多集中于腎臟疾病檢測(cè)方面，應(yīng)用于腎臟疾病治療的相關(guān)報(bào)道較為罕見(jiàn)，因此，可腎清除納米材料應(yīng)用于腎臟疾病治療方面值得深入研究。